后加载号筒式音箱设计指南

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打印 字体大小: tT 发表于 2007-3-29 23:07 | 只看该作者
后加载号筒式音箱设计指南（转贴）
首先要说的是，后加载号筒音箱又称折叠号筒音箱，它还有另外两个不常见的名称，即倒相号筒音箱与低音反射号筒音箱，港台玩家则称之为背负式号筒箱，其实它们同指一物。 后加载号筒音箱应属于倒相音箱的一种派生物，同为开口型，但其音响效果优于密封箱和一般倒相箱。
高效率喇叭的音响效果
动态范围：小信号下的喇叭辐射与大信号下的喇叭辐射的线性比。
效率高的喇叭动态范围宽广，效率低的喇叭因重放时机械损耗较大，部分能量以热的形式耗散掉，故动态范围窄，用这种喇叭是很难重放微弱的音乐信号或音调差别很小的信号的。
高效率喇叭有以下优点：
1） 音乐重放中，差别很小的音调或微弱的声音都能充分还原，具有很强的真实感。
2） 声场前后定位清晰，立体感强。
3） 大，小信号输入时的线性比即动态范围大。
上面只是列出高效率喇叭的优点，但也存在着一些不足，例如，它的声压频率特性不易做得很平坦，等等。相比之下，使用音质和音色都要逊色的效率低的喇叭，使振动系统受到一定的阻尼以获得平坦的响应，并使用大功率放大器来驱动其直接辐射型音箱来取得较好的声音效果，也是一个音响系统的解决方案（通常的玩法），并且也是小型书架箱得以流行并达到全盛期的一个要因。应该如何设计高效率音箱，这无论从理论上考虑还是从音箱的历史来看都要归结到号筒箱上，正是我在这里要谈的高效率喇叭号筒箱＋单端小功率胆机驱动这种方式。要说哪一种更好，则很难回答，这是一个仁者见仁，智者见智的问题，都有其局限性。我个人偏向于高效率喇叭号筒箱＋单端的组合。
号筒箱的知识
号筒音箱：将具有某种函数曲线形状的号筒介于振膜与自由空间之间，以便使振膜与自由空间之间得以匹配（阻抗匹配），从而使振膜振动产生的声音最有效地幅射到空间去的一种间接幅射音箱。
号筒音箱和直接辐射音箱相比，具有振动幅度小的优点。


图是各种号筒形式及其声压频率特性。该图给出了圆锥形号筒，指数形号筒和双曲线形号筒特性曲线的比较。圆锥形号筒的低频特性很差，不能用于低音重放。指数形号

筒是具有指数函数变化曲线的号筒，在
截止频率附近具有陡峭的衰减特性，是使用最方便的号筒形式。双曲线号筒是在开口附近急剧扩展的号筒，其截止频率附近特性隆起。这种号筒的扩展系数常取0.6～0.7，且在截止频率附近容易弯曲，故不常采用。
以上所说的是无限长号筒。理论上，无限长号筒是最理想的号筒方式，不过，无限长号筒是不存在的，因此，让我们来看看最经常被采用的有限长指数号筒的重放特性如何。
如上图所示，若将号筒在开口切线角为45°时开口，便能得到一个大致近于无限长号筒的辐射特性。不过，为了获得稳定的辐射阻抗，在设计时一般多采用1.5～2倍的截止频率，因此在大于45°角的切点位置开口比较合适。相反地，若将号筒进一步缩短为短号筒，即在小于45°角处开口，则低音辐射阻抗就会产生很大的波动（上图（2））。上图（3）是指数号筒不同开口的情况。根据指数理论表示公式：

号筒的截面积变化是按照指数规则来进行的。（So为喉口面积；Sx为离喉口x处的开口面积；m为展开系数；x为号筒长度）截止频率fc与m值有关，m=4πfc / c，因此，在同样大小的喉口面积So的条件下，若要设计一个高的截止频率fc，可逐渐减小扩展系数m值，从而能够获得开口切线与轴向夹角的45°。从上图（3）便可明白，急剧展开的号筒的m值大，截止频率也高，因此不适合用于低频重放上。
各种号筒箱形式

上图（1）是常见的号筒音箱形式。大致可分为两类，一类为带压缩腔体的号筒箱，这种音箱背面全密封，腔体内的压力全部施加在喇叭振膜的背面，因此为了平衡振膜前后的压力，将号筒装在了喇叭前方。
上图（2）所示各形式是一些注重利用喇叭前向辐射的周密考虑的设计方案。这样不仅可有效利用喇叭背向产生的幅射，而且还可充分利用喇叭前向直接幅射的效果。
上图（1）中（A）的形式适用于高音号筒音箱。效果好的常常取5～10米长，因为长度太吓人，占用空间大，实际应用时是采取（B）的结构。
上图中所列形式各有优点，作为理想的重放系统，究竟熟是熟非呢？经过全面比较和分析，迄今已有定论，就是采用折叠式等宽号筒。实践证明，这种形式制作方便，效果也是上上。采用此方式，可将m为2米左右的号筒经过巧妙折叠，收藏于音箱的箱体内。等宽设计对于业余玩家来说，计算和加工都异常简便，这就是目前绝大多数的号筒音箱都采用此方式的原因。
折叠等宽号筒音箱原理和设计
（1） 原理
将等宽指数号筒通过背面腔体连接到

喇叭背面时，即构成倒相音箱。若将号筒巧妙地进行折叠，使之构成矩形音箱形式
，便可形成实用的折叠号筒箱。


如上图，低音喇叭背腔体的声阻抗大于号筒喉口的阻抗ZA1，在工作频段，号筒和喇叭都构成幅射体，在中频段以上的频率段，背腔体的阻抗降低，因而使喉口部的阻抗分路，致使号筒失去作用。折叠等宽号筒音箱系统中，号筒及喇叭直接辐射两部分具有交叠频率特性，其综合特性较宽阔，我们要的就是这个。
从理论上来看，指数号筒离喉口x处号筒的截面积Sx（单位cm）可由下式算出：

式中，So为等宽号筒喉口处截面（cm^2）；
m为号筒的扩展系数。
因此在2w＝mc处（c为空气中声速，取334米/秒）的辐射阻抗近于零，故这点的频率为截止频率，用fc表示，其表示式为：
fc= mc / 4π...............................................................................................................................................（2）
号筒的长度可由下式求出：

作为S2的直径，通常取为小于fc的φ/ 4或φ/ 8。
号筒喉部的声阻抗ZA1可通过下式算出：

式中，S1为喉口部面积（cm^2）；
S2为开口部的面积（cm^2）；
L为号筒的长度（cm）；
ZA2为开口部的声阻抗（acoustic-ohms）；
θ为tan^-1 a/b；a=m / 2；b=[√(4k2-m2)]/ 2
腔体的声容量CA1可通过以下来计算。
由腔体的内容积V（cm^3）可得下式：

CA1的声抗XCA1可由下式表示：

在设计折叠等宽号筒时，式（4）和式（6）为最重要的公式。

有关数据代入上列各式，就可以设计出所需的折叠等宽号筒音箱系统。
（2） 设计
由于等宽指数号筒的宽度是不变的，故可用式（1）求其横宽W。
喉口面积So＝W×ho，离喉口x处的截面积Sx＝W×hx ，所以，式（1）可表达成下述形式：

即：

例如，W＝52cm，其内尺寸宽度为48cm，求喉口高度ho。在求ho之前，必须先确定喉口面积So，选定所用喇叭的种类和型号。若从喇叭的有效振膜面积求出其断面收缩率，则喉口的面积So就可以求出，如此，高度ho也就可以算出了。
下面让我举一个例子：
JBL的D131喇叭单元，其纸盆有效直径（从喇叭支撑边的1/2处计算起）为26.5cm，故其有效面积为：

根据此数据可求得号筒喉口的收缩率。实验证明，折叠等宽号筒上的喉口断面收缩率取0.6左右比较妥当。因此可求得高度hx：
48.4×hx＝555×0.6
因此，hx＝6.9cm≒7cm
即距喉口x处的号筒高度hx≒7cm。由此，号筒喉口的高度取为7cm。若号筒的截止频率为35Hz，则号筒的扩展系数m可用下式计算：

将fc=35Hz代入上式，可求得：
m＝0.01296≒0.013
将上面求出的数

据代入式（8），可得到：

根据上式，若在0～150cm范围内每隔10cm求出其高度值，并将所求值做成图表，就是下面的样子
：

到此，整个设计过程结束。
下面为折叠等宽号筒音箱的设计思路图，供各位玩家参考。

（附件有完整图纸）
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